CN1964217B - 多载波mimo***及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多载波MIMO通信***及其通信方法。该多载波MIMO***包括：发送端，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和至少一接收端，用于接收发送端发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据。其中，发送端根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括所要调度的用户、每个用户所支持的码流以及发送各个码流的指定子载波上的指定发射波束。该多载波MIMO通信***及其通信方法可以提供最大的信道容量，降低成本和算法复杂度。

Description

多载波MIMO***及其通信方法

技术领域

本发明涉及到使用多输入多输出天线***的无线通信技术，特别是涉及一种多载波MIMO通信***及其通信方法。

背景技术

未来的无线通信***需要支持非常高速率的数据业务，比如说视频会议、视频点播、交互视游戏等等。根据ITU-R M1645文件中提到的要求：高速无线业务(High Mobility)，需要支持最高到100Mbps的速率，而对于低速(LowMobility)或者固定无线(Fixed Wireless)业务，更需要达到1Gbps的速率。

无线通信中一个信道的速率等于该信道的频谱带宽与其所应用技术的频谱效率的乘积。为了提高速率，需要提高它的频谱带宽或者所应用技术的频谱效率。然而，频率资源是有限的，所以不可能无限制地通过增加频谱带宽来增加通信速率，最好方法是增大所应用技术的频谱效率。

通常，可以通过两个途径来提高频谱效率。一种途径是通过物理层的技术如先进的编码技术、信号处理技术等来提高链路级的频谱效率。另一种途径是通过高层的控制达到更灵活的资源分配来实现***级的频谱效率。多输入多输出技术(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和基于信道用户调度方法(Channel-Aware User Scheduling)是相应的两种实现该目标的方法。随机波束成形是用来改善用户调度***性能的一种方法，其可以比较有效地将这两个不同协议层的方法进行联合，从而实现***性能的最优化。然而，现代的通信***都基于蜂窝结构，基本的通信模式是蜂窝中的一个基站同时为很多个用户(Mobile Station，MS)提供服务，这就涉及到多用户的接入问题-多址方式(Multiple Access)。传统的接入方式有FDMA、TDMA以及CDMA，它们都是基于电路交换(Circuit Switch)原则的，即每个用户都给分配了一个固定的频带(FDMA)、时隙(TDMA)或扩频码(CDMA)。

以GSM为例，基站在一条200K的信道内以固定时隙分配的方法把一个帧的8个时隙分配给8个用户进行通信。这种方法的优点就是可以保证通信业务的时延特性，比较适合于语音通信这类对时延比较敏感的业务。其缺点是固定资源分配没有考虑到用户通信时的无线信道状况。由于无线信道的变化非常大，如果用户在其信道处于深衰落的时候分配到了信道的话，将导致***性能的损失。

未来的通信***将以数据业务为主，对时延的要求不是太严格。这样的话可以采用分组交换(Packet Switch)的多址方式。采用分组交换时，基站需要实时地把信道分配给不同的用户，这里叫作用户调度(User Scheduling)。目前有两种最基本的用户调度方法被应用到无线通信***中。一种是循环(Round Robin)调度，即信道通过循环的方式分配给所有的用户。这种方法的效果和电路交换一样，保证了时延特性和用户间的公平性，但没有提高性能。另一种用户调度技术是信道感知调度(Channel-aware Scheduling)，其可以根据用户的信道衰落情况h_k(单天线***中，它是一个复数标量)，动态地将当前信道的使用权分配给具有最大载波干扰比(可以简单的认为是max|h_k|)的用户。这样的话，***的性能可以得到很大的提高。通过最大载干比调度得到的性能增益叫作多用户分集(Multiuser Diversity)。

但是，由于信道感知调度是根据信道的状况来决定公共信道的分配，其对信道状况的依赖性比较大。这样，在一些特殊的信道状况下，***的性能就会有显著的下降。

图1(a)和1(b)给出了当基站(发送端)具有一根发送天线并且具有两个用户(接收端)时的***结构图。在该***中，信道感知调度是根据信道的状况来决定公共信道的分配。

在图2中，(a)表示在信道状况良好时信道增益的状况；(b)表示信道中存在视线路径(Line of Sight，LoS)时信道增益的状况；(c)表示***处于慢衰减时信道增益的状况。

在图2中，曲线1表示用户1的随时间变化的信道增益曲线，曲线2表示用户2的随时间变化的信道增益曲线，虚线表示当前***随时间变化的平均信道增益曲线。从(a)中可以看出，在不同的时刻，***根据用户1和用户2的信道增益来决定公共信道的分配，即在0-t₁时段分配给用户1、t₁-t₂时段分配给用户2等等，分别在时间轴上用“1”、“2”表示。最后，***的信道增益则是曲线1和曲线2的上包络，求其平均得到虚线所示的***平均信道增益曲线。

比较(a)和(b)可以得知，当信道中存在一个视线路径时，由于该视线路径将减小信道系数的波动，其导致可实现的***平均信道增益降低。并且，从(b)和(c)中可以看出(括号所指示的时段)，当***衰落比较慢时，传输时延就会比较大。

为解决这个问题，P.Viswanath、D.N.C.Tse以及R.Laroia等人提出了一种解决方法(参阅“Opportunistic beamforming using dumb Anntennas”，IEEETrans.Infor.Theory，Vol.48，No.6，pp.1277-1294.June.2002，下称“参考文献1”)。

在该方法中，假设基站安装有n_T根天线，并且每个用户是一根接收天线的话，用户的信道是一个向量在发射前，将数据信号乘上一个n_T维随机复数向量然后，将该数据信号从所有的n_T根天线发射出去。这时，每个用户检测到信道增益实际上是一个结合了真实信道和发射向量的等效信道增益

每个用户把其检测到的等效信道增益反馈给基站，进而，基站将信道分配给具有最大等效信道增益的用户。

例如，在图1a和图1b中，具有最大等效增益的用户正好位于由发射向量h_k形成的发射波束的主瓣内。这样的话，通过改变随机复数向量W，就可以改变等效信道增益的统计特性(例如相关特性、时变特性等)，使其满足用户调度的要求。

***的性能在很大程度上也取决于随机向量的概率分布密度函数f_pdf(w)。上述方法是在窄带***中，平坦衰落信道情况下给出的。然而，目前的***通常为宽带***，有很强的频率选择性衰落，因此直接采用上述方法不可能形成某个方向上的波束。同时，根据多载波调制技术，信号带宽可以被分成很多子载波，每个子载波会经历一个平坦衰落信道。这样的话，针对每个子载波可以实现随机波束成形。用户可以通过测量在每个子载波上的等效信道增益来竞争每个子载波。

图3给出了这种情况下发送端的信号处理的示意图。可以看到，每个子载波上的数据d_i都要乘上一个随机产生的向量wⁿ，n＝1，...，Nc形成输入到不同天线的频域信号。不同天线上的频域信号再经过IFFT形成时域信号。该时域信号在加上循环前缀后通过相应的天线发射出去。从图3上我们可以看到，对这个***，一共需要产生Nc个n_T维的随机向量，并且需要进行n_T次IFFT。这将产生以下几个问题：

1.随机数的产生一般通过一些伪随机的方法。并且这里需要的都是一些具有时间相关特性的随机序列。产生这么多的随机数需要很多相应的伪随机发生器，导致硬件资源的增加或者算法复杂度的提高；

2.这个***的性能应该取决于所有随机向量的联合概率密度函数f_pdf(w₁，...，w_Nc)。原则上，这个函数是有一定的优化空间的，但去有目的的优化有非常多变量的函数，在数学上有非常大的难度；

3.这个方案需要和发送天线数一样多的IFFT的次数，算法的复杂度是o(n_T·Nc·LogNc)，比较高。

因此，需要提供一种能够克服上述缺点的通信***及其通信方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多载波MIMO通信***。

本发明的另一目的在于，提供一种用于上述多载波MIMO通信***的通信方法。

根据本发明的第一方面，本发明多载波MIMO通信***，其包括用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧的发送端，以及用于接收发送端发送的数据帧、产生相应的反馈信号并还原用户数据的至少一接收端。其中，该发送端包括：双工器组和位于其上的发送天线，用于发送数据帧，并接收来自接收端的反馈信号；多载波MIMO调度器，用于根据该反馈信号产生调度信息；多载波MIMO数据处理器，用于根据调度信息选择需要调度的用户，并将所选择用户的数据形成对应的多载波发射信号。该接收端包括：双工器组以及位于其上的接收天线，用于接收来自发送端的数据帧，并发送用户反馈信息；多载波接收信号处理器，用于根据数据帧产生用户反馈数据和还原用户数据；反馈信息处理器，用于将用户反馈信息转化成反馈信号。

根据本发明第二方面，本发明多载波MIMO通信***的通信方法，其包括以下步骤：

(a)在接收端，根据发送端的发送天线与接收端的接收天线之间的信道衰落状况产生反馈信号，并将该反馈信号反馈给发送端；

(b)在发送端，接收该反馈信号，根据该反馈信号产生调度信息；

(c)在发送端，根据调度信息将所调度用户的数据形成对应的多载波发射信号，通过对应的发送天线将该多载波发送信号发送出去；以及

(d)在接收端，根据接收的发射波束还原用户数据。

与现有技术相比，本发明的多载波MIMO通信***及其通信方法所提供的信道容量高于现有的多载波MIMO通信方法所能提供的信道容量。除此之外，本发明的多载波MIMO通信***由于采用了一种新的多载波波束成形器和随机向量产生器，其可以克服现有现有多载波MIMO通信***需要很多伪随机发生器来产生大量随机数的缺点，同时可以优化随机向量的联合概率密度函数，并且算法的复杂度也较低。

附图说明

为进一步解释本发明，请参考以下描述的附图：

图1(a)和(b)为当基站具有一根发送天线并且具有两个用户时的***结构图。

图2(a)为表示在信道状况良好时信道增益的状况；(b)表示信道中存在视线路径时信道增益的状况；(c)表示***处于慢衰减时信道增益的状况。

图3为传统MIMO***中实现多载波随机波束成形的装置的示意图。

图4为本发明基于随机发射波束成形的多载波MIMO通信***的框架图。

图5为图4所示的多载波MIMO通信***的用户调度的流程图。

图6为本发明多载波MIMO通信***所采用的帧结构的示意图。

图7进一步描述了本发明的MIMO通信***的发送端10的结构示意图。

图8为图7所示的多载波波束成形器114的具体结构图。

图9为发送端10的发送射频链路组的结构示意图。

图10为本发明发送端10的双工器组130的示意图。

图11进一步描述了本发明的MIMO通信***的接收端20的结构示意图。

图12至图14为实际信道状况下不同调度方法的性能比较图。

具体实施方式

下面就结合附图描述本发明。

图4为本发明多载波MIMO通信***的框架图，其中，该MIMO通信***包括一发送端10(基站)以及多个接收端20(用户)。图5为图4所示MIMO通信***的用户调度的流程图。图6为本发明多载波MIMO通信***所采用的帧结构的示意图。

如图4-6所示，发送端10具有多载波MIMO数据处理器110、多载波MIMO调度器120、双工器组130以及n_T根发送天线。每个接收端20具有多载波接收信号处理器210、反馈信息处理器220、双工器组230以及n_R根接收天线。其中，每个接收端20的接收天线数量可以不同。该帧结构包括：信道估计时隙、信道反馈时隙以及数据传输时隙，并且可以根据***需求设置其他的时隙，这里是为了方便说明而简化。

调度信息获取过程

从图6中可以看出，发送端10在发送用户数据信号之前，首先会通过双工器组130自n_T根发送天线以发射波束的形式，向接收端20发送信道估计信号。

假设发送端10的发送信号是一个n_T维的复数向量每个接收端20接收到的是一个n_R维的复数向量发送端10和接收端20之间存在一个n_R×n_T维的信道衰落矩阵：

其中，

表示发送端10第i根发送天线和接收端20第j根天线之间的信道传输特性(其中k表示第k个用户)。

则，***的传递函数可以表示为：

y_k＝H_kx_k+μ_k

                    (2)

k＝1，...，K

其中是一个n_R维的复数向量，代表接收端20的白噪声。

这样，对于每个接收端20，其知道确切的信道衰落状况，该信道衰落状况实际上结合了真实信道衰落状况和发送端的随机复数向量。根据该信道衰落状况，每个接收端20通过多载波接收信号处理器210可以对其进行处理，从而获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。

反馈信息处理器220将接收到的用户信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信***的反馈信号(射频信号)。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

发送端10的天线接收该反馈信号后，将其传送到多载波MIMO调度器120。多载波MIMO调度器120根据该信号产生调度信息，并利用所产生的调度信息控制多载波MIMO数据处理器110的操作，从而使MIMO通信***达到最大***容量时的调度状态。即，根据调度信息进行最优化的用户调度。

上述获得信道衰落状况的方法是通过利用信道估计信号(即导频信号)而进行，其在数据帧中***信道估计信号，接收端20根据该信道估计信号获得发送端10与接收端20之间的信道衰落状况，进一步由多载波接收信号处理器210对信道衰落状况处理后所获得用户反馈信息。

然而，本发明中也可以利用信道盲估计方式获得信道衰落状况。即，数据帧中不需要设置信道估计时隙，接收端20在接收到发送端10发送的数据同时，通过信道盲估计获得信道衰落状况，然后由多载波接收信号处理器210对信道衰落状况处理后所获得用户反馈信息。此时可以避免信道估计信号的***所造成的频谱资源的浪费。

图7进一步描述了本发明的MIMO通信***的发送端10的结构示意图。图8为图7所示的多载波波束成形器114的一种具体结构图。图9为发送端10的发送射频链路组的结构示意图，图10为本发明发送端10的双工器组130的示意图。图11进一步描述了本发明的MIMO通信***的接收端20的结构示意图。在图7和图11中采用分层时空信号处理方式进行MIMO通信的描述。对于信号处理而言，同样可以采取其他现有技术所揭示的信号处理方法和装置来执行，例如空时编码方式。

用户数据发送/接收以及调度过程

发送端10

在图7中，该发送端10包括多载波MIMO数据处理器110、多载波MIMO调度器120、双工器组130以及n_T根发送天线。

该多载波MIMO调度器120包括接收射频链路组123、MIMO接收信号处理器122以及调度器121。其中，接收射频链路组123具有与发送天线对应数量的接收射频链路，用于将接收到的反馈信号转化为相应的码流。MIMO接收信号处理器122将该转化的码流进行空时信号处理，获得相应的调度信息，该调度信息包括：所要调度的用户、每个用户所支持的码流、发送每个码流的指定子载波上的指定发射波束。调度器121利用该调度信息控制多载波MIMO数据处理器110的信号处理。

该多载波MIMO数据处理器110包括用户选择器111，多个并行排列的分流器112，载波波束分配器113，多个并行排列的多载波波束成形器114，加法器组118、循环前缀器组115，发送射频链路组116以及随机向量产生器117。

其中，在调度信息的控制下(根据调度信息中的“所要调度的用户”)，用户选择器111用于选择所要调度的用户，这里数量表示为nS个，并输出相应的用户数据。

在调度信息的控制下，nS个分流器112被选中来对所调度的nS个用户的用户数据进行分流处理，即，根据调度信息中的“每个用户所支持的码流”，将所调度的nS个用户的用户数据分成L个码流输出。L是所有调度用户的数据所分到的码流数的总和。

然后，由载波波束分配器113将分流器112输出的L个码流视为L个不同的层进行处理，根据调度信息中“发送每个码流的指定子载波上的指定发射波束”，将发送的L个码流分别分配到指定子载波的指定发射波束上，也就是，将L个码流分配到频域和空域信道，形成多个频域信号。这里，假设该多载波MIMO通信***中的子载波数为N_c，发射天线数为n_T，则，此时的输出为N_c×n_T个频域信号，即，每个子载波上支持n_T个发射波束。在N_c×n_T个频域信号中，只有L个频域信号才具有用户数据。

接下来，该N_c×n_T个频域信号分别输入到n_T个多载波波束成形器114中，其原则为，对于同一子载波上的n_T个频域信号，分别输入到n_T个多载波波束成形器114中对应的一个多载波波束成形器114中，也就是，将N_c×n_T个频域信号中属于同一空域信道的N_c个频域信号输入到对应的一个多载波波束成形器114中。因此，每个多载波波束成形器114均分别接收N_c个对应于该子载波波束成形器的频域信号，每个频域信号对应于一个子载波。

随机向量产生器117产生随机向量，并将产生的随机向量分别输入到对应的多载波波束成形器114中。

每个多载波波束成形器114根据随机向量产生器117所产生的随机向量，将输入其中的N_c个频域信号进行波束成形处理，形成分别针对n_T根天线的n_T个时域发送信号，即，每个时域发送信号对应于n_T根发送天线中的一根发送天线。其实质是，每个时域发送信号对应于所有N_c个子载波的一个独立的空域信道。所有n_T个多载波波束成形器114将形成n_T×n_T个发送信号。

由具有n_T个加法器的加法器组118中对应的一个加法器将对应于同一根发送天线的n_T个时域发送信号进行叠加，形成一个总的发射信号，这样，来自不同的多载波波束成形器的、对应于同一发送天线的时域发送信号对应于一个独立的空域-频域信道。然后，每个加法器将其形成的发射信号输出到循环前缀器组115中。n_T个加法器总共输出n_T个分别对应于一根发送天线的发射信号。

循环前缀器组115包括n_T个循环前缀器，每个循环前缀器对应于一根发送天线。每个循环前缀器对来自多载波波束成形器114的、对应于同一根发送天线的发射信号***循环前缀，生成对应的***了循环前缀的发射信号。n_T个循环前缀器总共输出n_T个分别对应于n_T根发送天线的发射信号。

发送射频链路组116，用于接收从循环前缀器组115输出的n_T个发射信号，将该n_T个发射信号转化为对应的射频信号，并将每个发射信号所对应的射频信号均通过双工器组130上的n_T根发送天线发送出去。

具体地，以下将结合图8具体说明多载波MIMO通信***中的多载波波束成形过程。

如图8所示，每个多载波波束成形器114包括一个IFFT变换器1141、n_T路由乘法器1142和延时器1143组成的串行组合。

该IFFT变换器1141接收载波波束分配器113输出的对应的N_c个频域信号，通过IFFT变换形成串行时域信号，并将该串行时域信号并行地分别输出到由乘法器1142和1143组成的n_T路串行组合中。其中，N_c个频域信号所对应的子载波彼此不同。

同时，随机向量产生器117将产生的随机向量输入到n_T个多载波波束成形器114中的对应的多载波波束成形器114中。该随机向量包括向量和向量

其中，

和分别表示第i个多载波波束成形器114中的IFFT变换器1141所输出的第j路串行时域信号的权重和延时，0≤i≤n_T，0≤j≤n_T。

每路由乘法器1142和延时器1143组成的串行组合根据随机向量产生器117输入的向量

对输入其中的串行时域信号进行加权处理，并根据对该串行时域信号进行延时处理，形成一个发送信号。该加权处理和延时处理等效于：

$w_i^j=\sqrt{p_i^j}\exp (-j\frac{2\mathrm{\πn}\·{\mathrm{Cd}}_i^j}{N_c})---\left(3\right)$

这样，每个多载波波束成形器114将形成n_T个发送信号，n_T个多载波波束成形器114将形成n_T×n_T个发送信号。其中，在每个多载波波束成形器114形成的n_T个发送信号分别对应于n_T根发送天线中的一根发送天线。

对于n_T个多载波波束成形器114输出的n_T×n_T个发送信号中对应于同一发送天线的发送信号，通过加法器组118中对应的加法器叠加形成对应的发射信号后输入到循环前缀器组115中对应的循环前缀器，由该对应的循环前缀器对输入其中的发射信号***循环前缀，并将***循环前缀的信号发送给发送射频链路组116。循环前缀器组115中的n_T个循环前缀器总共输出n_T个***循环前缀的发射信号。

图9中进一步描述了发送射频链路组116的具体结构，其包括n_T个并行发送射频链路，每个发送射频链路具有串行连接的调制器1161、上变频器1162以及功率放大器1163，该功率放大器可以是大功率线性放大器。其中，该n_T发送射频链路分别用于将循环前缀器组115输出的n_T个发射信号转化为相应的射频信号。

图10为本发明发送端10的双工器组130的示意图。其中，该双工器组130包括n_T个并行的双工器。每一个双工器与一根对应的发送天线相连接，并且均连接到发送射频链路组116和接收射频链路组123。

接收端20

为了简化描述，这里仅仅示出了其中一个接收端20。

在图11中，该接收端20具有多载波接收信号处理器210、反馈信息处理器220、双工器组230以及n_R根天线。

其中，该多载波接收信号处理器210包括接收射频链路组211和MIMO接收信号处理器212。该反馈信息处理器220包括MIMO发送信号处理器221和发送射频链路组222。

该接收射频链路组211具有与接收天线数量n_R相同的并行的接收射频链路(图未示)，用于将接收到的射频信号恢复为相应的码流，并发送给MIMO接收信号处理器212。

该MIMO接收信号处理器212将码流还原为原始的用户数据，并将其输出。

以下将根据不同的用户调度方法说明本发明的调度过程。对于接收端20来说，在本发明的调度中，对于每个具有多根天线的接收端20，可以将其考虑成相同数量的具有一根天线的接收端20。因此，我们在这里仅仅以每个接收端20具有一根天线的情况来进行说明，可以将这个说明延伸到每个接收端20具有多根天线的情况。

第一调度方法

对于每个接收端20，其根据该信道衰落状况，通过多载波接收信号处理器210可以对接收信号进行处理，获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。其中，该用户反馈信息中包括：在每个子载波上，对于该接收端来说最好的发射波束的组合n_k、该最好发射波束组合中每个发射波束所对应的信干比GNI_k。

$n_k=\underset{n=1...n_T}{\arg \max \left|{H_k}^{*}{w}_m\right|}---\left(4\right)$

${\mathrm{GNI}}_k={\left|{H_k}^{*}{w}_{n_k}\right|}^2/1+{\left|{H_k}^{*}{\mathrm{\Σw}}_n\right|}^2---\left(5\right)$

其中，w_n表示发送端的随机复数向量(相当于式(3)中的)，H_k表示发送端10与接收端20之间的信道衰落矩阵。

反馈信息处理器220将接收到的用户反馈信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信***的反馈信号。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

当发送端10的调度器121接收到反馈信号时，进行***调度。由于每个接收端20都反馈了其在每个子载波上最好的发射波束的组合n_k、该最好发射波束组合中每个发射波束所对应的信干比GNI_k，因此，调度过程主要包括：

1)设置用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB为空；

2)对于每一个子载波，将重复以下步骤i)至iii)：

i)比较所有反馈回来的信干比GNI_k，选出一个有最大信干比GNI_k的用户加入到用户调度列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

ii)然后，比较所有反馈回来的信干比GNI_k，从未调度的用户中选出具有最大的信干比GNI_k的用户，将其加入到用户调度列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

iii)重复步骤i)和ii)，直至完成在该载波上的用户调度；

3)最后，根据最后针对所有子载波所生成的用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB，控制多载波MIMO数据处理器110把所调度用户的数据流分成独立的码流、并分配到指定子载波的指定发射波束上，从而从发送天线上发送出去。

在上述调度步骤2)中，对于每个子载波，如果在某个接收端20(用户)已经加入到用户调度列表SU中，并且，选择到其最好发射波束组中另一发射波束时，由于该接收端20只有一根天线，因此其不能被再调度。此时，对于该子载波所进行的用户调度结束。

同时，在上述调度步骤2)中，对于每个子载波，如果该用户对应的发射波束已经加入到已分配发射波束列表中，则该用户不能被调度。此时，对于该子载波所进行的用户调度结束。

对于每个接收端20具有多根天线的情况，如果将每根天线假设为一个接收端(用户)，那么每个接收端多根天线的调度情况和每个接收端只有一根天线的调度情况相似。

第二调度方法

当本发明多载波MIMO通信***考虑到每个子载波上发射波束之间的干扰且所要调度的用户数目为固定的M个(1＜M×N_c＜n_T)时，对于每个接收端20，其根据信道衰落状况，通过多载波接收信号处理器210可以对接收信号进行处理，获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。其中，该用户反馈信息中包括：在每个子载波上，对于该接收端20来说最好的发射波束的组合n_k、该最好发射波束组合n_k中每个发射波束所对应信干比GNI_k、以及该接收端干扰最小的发射波束的组合Q_k。其中，在每一子载波上，对于最好发射波束组合n_k中最好发射波束的数量、以及对接收端干扰最小的(M-1)个发射波束组合Q_k中发射波束的数量，可以根据实际信道状况进行选择，其原则是，同一发射波束不能同时包含在这两个组合中。

$Q_k=\underset{S=\{s_1,...s_{M-1}|s_i=1,...,n_T\}}{\arg \min }\left|{h_k}^{*}\underset{n\∈S}{\mathrm{\Σ}}{w}_n\right|---\left(6\right)$

其中，S表示在每个子载波上的n_T个波束中选出(M-1)个不同干扰最小的波束所有可能的集合。

反馈信息处理器220将接收到的用户反馈信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信***的反馈信号。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

当发送端10的调度器121接收到反馈信号时，进行***调度。此时，由于每个接收端20都反馈了其在每个子载波上的最好发射波束的组合n_k、该最好发射波束组合n_k中每个发射波束所对应的信干比GNI_k、以及对该接收端干扰最小的(M-1)个发射波束的组合Q_k，因此，调度过程主要包括：

1)设置用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB为空；

2)对于每一个子载波，将重复以下步骤i)至iii)：

i)比较所有反馈回来的信干比GNI_k，选出一个有最大信干比GNI_k的用户加入到用户调度列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

ii)针对用户调度列表中的用户，从其对应的组合Q_k中找出相应的干扰最小的发射波束，然后，根据该干扰最小的发射波束找出其所对应的最大信干比的用户，并将该用户加入到用户调度列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

iii)重复步骤i)和ii)，直到完成在该子载波上的用户调度；

3)最后，根据最后针对所有子载波生成的用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB，控制多载波MIMO数据处理器110把所调度用户的数据流分成独立的码流、并分配到指定子载波的指定发射波束上，从而从发送天线上发送出去。

第三调度方法

当本发明多载波MIMO通信***考虑到每个子载波上的发射波束之间的干扰、以及该干扰对***容量的影响时，对于每个接收端20，其根据该信道衰落状况，通过多载波接收信号处理器210可以对接收信号进行处理，获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。其中，该用户反馈信息中包括：在每个子载波上，对于该接收端20来说最好发射波束的组合n_k、该最好发射波束组合n_k中每个发射波束所对应的等效信道增益GN_k、对该接收端干扰最小的发射波束的组合Q_k、以及该组合Q_k中的每个发射波束对该接收端的最好发射波束的性能损失比D_k，i。

{D_k，i}＝{GN_k/|h_k ^*w_i|²，i∈Q_k}    (7)

反馈信息处理器220将接收到的用户反馈信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信***的反馈信号(射频信号)。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

当发送端10的调度器121接收到反馈信号时，进行***调度。此时，由于每个接收端20都反馈了其在每个子载波上最好发射波束的组合n_k、该组合n_k中每个发射波束的等效信道增益GN_k、对该接收端干扰最小的发射波束的组合Q_k、以及该组合Q_k中的每个发射波束对该接收端的最好发射波束的性能损失比D_k，i，因此，调度过程主要包括：

1)设置用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB为空；

2)对于每个子载波，将重复以下步骤i)至iv)：

i)比较所有反馈回来的等效信道增益GN_k，选出一个有最大等效信道增益GN_k的用户加入到用户调度列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

ii)针对用户调度列表中的用户，从其对应的组合Q_k中找出相应的干扰最小的发射波束，然后该干扰最小的发射波束所对应的最大信干比的用户；

iii)根据反馈的性能损失比D_k，i，判断该用户的加入是否增加了***容量，如果该用户的加入使得***容量增加，则将该用户加入到用户调度列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中。如果该用户的加入使得***容量降低，则不将该用户加入到用户调度列表，并结束在该子载波上的用户调度；

iv)当该用户加入后，依次重复步骤i)和iii)，直到在该子载波上的用户调度结束；

3)最后，根据最后针对所有子载波的用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB，控制多载波MIMO数据处理器110把用户的数据流分成独立的码流，分配到的指定子载波的指定发射波束上，然后从发射天线上发送出去。

因此，该第三调度方法可以自适应地调度用户，从而可以充分地利用信道状况，提供最大的信道容量。

为了更清楚地体现本发明的调度***及调度方法的优越性，请参阅图12至图14，这里给出了实际的信道中不同调度方法的性能比较，其中子载波数N_c＝64，码流数L＝3，发射功率P＝10。

在图12中，横坐标表示Ricean因子k，纵坐标表示所获得的信道容量。当发送端的天线数为2、用户数量为32时，随着Ricean因子k的增加，信道容量逐渐降低，相比参考文献1中揭示的方法和传统的随机高斯加权方法，采用本发明的通信方法，信道容量的减少量小并且相对比较平缓。

在图13中，横坐标表示用户数，纵坐标表示所获得的信道容量。当Ricean因子k＝10、发送端的天线数为2时，随着用户数量的增加，相比参考文献1中揭示的方法和传统的随机高斯加权方法，采用本发明的通信方法，可以获得更大的信道容量增量。

在图14中，横坐标表示发送端的发射天线数，纵坐标表示所获得的信道容量。在用户数量为256时，随着发送天线数量的增加，相比参考文献1中揭示的方法和传统的随机高斯加权方法，采用本发明的通信方法可以获得更大的信道容量增量。

通过上述比较可以看出，本发明的通信***和通信方法所提供的信道容量高于参考文献1中揭示的方法和传统的随机高斯加权方法所能提供的信道容量。

综上所述，本发明的多载波MIMO通信***和通信方法可以根据当时的信道状况、不同的反馈信息进行用户调度，提高***控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的***容量。除了可以获得最大的信道容量之外，本发明的多载波MIMO通信***由于采用了一种新的算法，其可以克服现有现有多载波MIMO通信***需要很多伪随机发生器来产生大量随机数的缺点，同时可以优化随机向量的联合概率密度函数，并且算法的复杂度也较低。

Claims (16)

1.一种多载波MIMO通信***，其包括用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧的发送端(10)，以及用于接收发送端(10)发送的数据帧、产生相应的反馈信号并还原用户数据的至少一接收端(20)，其特征在于：

该发送端(10)包括：

第一双工器组(130)和位于其上的发送天线，用于发送数据帧，并接收来自接收端(20)的反馈信号；

多载波MIMO调度器(120)，用于根据该反馈信号产生调度信息；

多载波MIMO数据处理器(110)，用于根据调度信息选择需要调度的用户，并将所选择用户的数据形成对应的多载波发射信号，以及

该接收端(20)包括：

第二双工器组(230)以及位于其上的接收天线，用于接收来自发送端(10)的数据帧，并发送反馈信号；

多载波接收信号处理器(210)，用于根据数据帧产生用户反馈数据和还原用户数据；

反馈信息处理器(220)，用于将用户反馈数据转化成反馈信号；

其中，该多载波MIMO数据处理器(110)包括：

用户选择器(111)，用于根据调度信息，选择所要调度的用户；

多个并行排列的分流器(112)，用于对所调度的用户的用户数据进行分流处理，输出多个码流；

载波波束分配器(113)，用于根据调度信息，将分流器输出的码流分别分配到调度信息所指定的对应子载波的对应波束上，形成多个频域信号；

随机向量产生器(117)，用于产生并输出随机向量，所述随机向量为权重向量和延时向量；

多个并行的多载波波束成形器(114)，每个多载波波束成形器根据接收自载波波束分配器(113)的频域信号以及来自随机向量产生器(117)的随机向量，形成多个分别与一根发送天线对应的时域信号；

加法器组(118)，具有多个加法器，每个加法器分别将对应于同一发送天线的时域信号进行叠加，形成一个发射信号；

循环前缀器组(115)，具有多个循环前缀器，每个循环前缀器分别在对应的加法器输出的发射信号中***循环前缀；以及

第一发送射频链路组(116)，用于接收循环前缀器组(115)输出的多个发射信号，并将该多个发射信号分别转化为对应的射频信号；

其中，每个多载波波束成形器(114)包括一IFFT变换器(1141)，以及多路由乘法器(1142)和延时器(1143)组成的串行组合，其中，

IFFT变换器(1141)将来自载波波束分配器(113)的频域信号进行IFFT变换，形成串行时域信号，并将该串行时域信号同时输入到上述的多路串行组合中；

在每路由乘法器(1142)和延时器(1143)组成的串行组合中，乘法器(1142)和延时器(1143)分别根据随机向量产生器(117)所输出的权重向量和延时向量对该串行时域信号依次进行加权处理和延时处理，生成对应于一根发送天线的时域信号。

2.如权利要求1所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，该反馈信号包括在每个子载波上，每个接收端(20)最好的发射波束组、以及该最好发射波束组中每个发射波束对应的信干比。

3.如权利要求2所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，该反馈信号进一步包括在每个子载波上的，对每个接收端(20)干扰最小的发射波束的组合。

4.如权利要求1所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，该反馈信号包括在每个子载波上，每个接收端的最好发射波束的组合、该组合中每个发射波束的等效信道增益、对该接收端干扰最小的发射波束的组合、以及该组合中的每个发射波束对该接收端的最好发射波束的性能损失比。

5.如权利要求1至4任一项所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，该调度信息包括所要调度的用户、每个用户所支持的码流以及发送各个码流的指定子载波上的指定发射波束。

6.如权利要求5所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，

该多载波MIMO调度器(120)包括：

第一接收射频链路组(123)，用于将接收到的反馈信号转化为相应的码流；

第一MIMO接收信号处理器(122)，用于将转化的码流进行空时信号处理，获得相应的调度信息；以及

调度器(121)，用于根据该调度信息控制多载波MIMO数据处理器(110)的信号处理。

7.如权利要求6所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，该第一发送射频链路组(116)包括多个并行发送射频链路，分别将循环前缀器组(115)输出的多个发射信号转化为对应的射频信号，每一发送射频链路包括串行连接的一调制器(1161)、一上变频器(1162)以及一功率放大器(1163)。

8.如权利要求7所述的多载波MIMO通信***，其特征在于，

该多载波接收信号处理器(210)包括：

一第二接收射频链路组(211)，用于将接收到的射频信号进行解调和变频处理，获得相应的码流；

一第二MIMO接收信号处理器(212)，用于根据该码流产生相应的用户反馈数据，同时还原并输出用户数据；以及

该反馈信息处理器(220)包括：

一MIMO发送信号处理器(221)，用于将用户反馈数据转化成反馈信号；

一第二发送射频链路组(222)，用于将该反馈信号转化为相应的射频信号。

9.一种多载波MIMO通信方法，其包括以下步骤：

(a)在接收端，根据发送端的发送天线与接收端的接收天线之间的信道衰落状况产生反馈信号，并将该反馈信号反馈给发送端；

(b)在发送端，接收该反馈信号，根据该反馈信号产生调度信息；

(c)在发送端，根据调度信息将所调度用户的数据形成对应的多载波发射信号，通过对应的发送天线将该多载波发送信号发送出去；以及

(d)在接收端，根据接收的发射波束还原用户数据；

其中，步骤(c)包括以下步骤：

i)根据调度信息选择所要调度的用户；

ii)根据调度信息将所调度用户的用户数据分成相应的码流；

iii)根据调度信息将各个码流分配到指定子载波的指定发射波束上，分别将分配到同一空域信道的针对所有子载波上的码流进行IFFT变换，在每个空域信道中输出与发送天线分别对应的并行的多路串行时域信号；

iv)将每路串行时域信号依次进行加权处理和延迟处理形成对应的发送信号，并将对应于同一发送天线的发送信号进行叠加，然后对叠加后形成的多载波发射信号***循环前缀，从对应的发送天线发射出去。

10.如权利要求9所述的通信方法，其中，该调度信息包括所要调度的用户、每个用户所支持的码流以及发送各个码流的指定子载波上的指定发射波束。

11.如权利要求10所述的通信方法，其中，该反馈信号包括在每个子载波上，对于该接收端来说最好的发射波束的组合、该最好发射波束组合中每个发射波束所对应的信干比。

12.如权利要求11所述的通信方法，其中，该反馈信号进一步包括每个子载波上对每个接收端干扰最小的多个发射波束的组合。

13.如权利要求10所述的通信方法，其中，该反馈信号包括在每个子载波上，对于该接收端来说最好发射波束的组合、该最好发射波束的组合中每个发射波束所对应的等效信道增益、对该接收端干扰最小的发射波束的组合以及该组合中的每个发射波束对该接收端最好发射波束的性能损失比。

14.如权利要求11所述的通信方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)对于每一个子载波，执行以下步骤i)至iii)：

i)比较所有反馈回来的信干比，选出一个有最大信干比的用户加入到用户调度列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

ii)然后，比较所有反馈回来的信干比，从未调度的用户中选出具有最大的信干比的用户，将其加入到用户调度列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

iii)重复步骤i)和ii)，直至完成在该载波上的用户调度；

3)最后，根据最后针对所有子载波所生成的用户调度列表和已分配发射波束列表，进行***的用户调度。

15.如权利要求12所述的通信方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)对于每一个子载波，执行以下步骤i)至iii)：

i)比较所有反馈回来的信干比，选出一个有最大信干比的用户加入到用户调度列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

ii)针对用户调度列表中的用户，从其对应的组合中找出相应的干扰最小的发射波束，然后，根据该干扰最小的发射波束找出其所对应的最大信干比的用户，并将该用户加入到用户调度列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

iii)重复步骤i)和ii)，直到完成在该子载波上的用户调度；

3)最后，根据最后针对所有子载波生成的用户调度列表和已分配发射波束列表，进行***的用户调度。

16.如权利要求13所述的用户调度方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)对于每个子载波，将重复以下步骤i)至iv)：

i)比较所有反馈回来的等效信道增益，选出一个有最大等效信道增益的用户加入到用户调度列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

ii)针对用户调度列表中的用户，从其对应的组合中找出相应的干扰最小的发射波束，然后该干扰最小的发射波束所对应的最大信干比的用户；

iii)根据反馈的性能损失比，判断该用户的加入是否增加了***容量，如果该用户的加入使得***容量增加，则将该用户加入到用户调度列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中；如果该用户的加入使得***容量降低，则不将该用户加入到用户调度列表，并结束在该子载波上的用户调度；

iv)当该用户加入后，依次重复步骤i)和iii)，直到在该子载波上的用户调度结束；

3)根据最后针对所有子载波的用户调度列表和已分配发射波束列表，进行***的用户调度。

Images